CHIẾC LASER ỔN ĐỊNH NHẤT TỪNG ĐƯỢC CHẾ TẠO

Những đồng hồ nguyên tử tốt nhất đếm dao động của ánh sáng mà nguyên tử hấp thụ. Để làm vậy, chúng cần một tia laser có tần số hầu như không xê dịch, để có thể thăm dò những chuyển mức nguyên tử cực hẹp. Các tia laser ổn định nhất hiện nay được khóa vào một hốc cộng hưởng silic siêu lạnh (cryogenic silicon cavity): hai chiếc gương được giữ cách nhau bởi một thanh silic đơn tinh thể, làm lạnh xuống dưới nhiệt độ phòng rất nhiều. Ánh sáng nảy qua lại giữa hai gương chỉ cộng hưởng ở những tần số cực kỳ chính xác, và tia laser buộc phải bám theo chúng.

Những hốc cộng hưởng như vậy đã đạt độ ổn định tương đối ở mức 10⁻¹⁷ — tần số chỉ xê dịch khoảng một phần trăm triệu của một phần tỷ giá trị của nó. Trong nhiều thí nghiệm, laser vẫn là một trong những nguồn nhiễu chính — nên một tia laser ổn định hơn cải thiện phép đo ngay lập tức.

Những tấm gương rung lắc

Điều giới hạn các hốc cộng hưởng silic tốt nhất là nhiễu nhiệt Brown trong lớp phủ gương: các lớp phản xạ mỏng không bao giờ đứng yên hoàn toàn, vì nhiệt làm các nguyên tử của chúng rung lắc. Chuyển động nhỏ xíu đó làm thay đổi chiều dài của hốc, và theo đó là màu của ánh sáng.

Ben Lewis, Jun Ye và các đồng nghiệp tại JILA (NIST và Đại học Colorado, Boulder), cùng các nhà vật lý từ Viện Vật lý – Kỹ thuật Liên bang Đức (PTB) ở Braunschweig, đã thực hiện hai thay đổi so với các hốc cộng hưởng silic 21 centimét trước đây:

Lạnh hơn. Các hệ trước đây hoạt động ở 124 K, một trong những nhiệt độ mà tại đó silic không còn giãn nở hay co lại theo nhiệt. Hốc mới, được đặt tên Si7, hoạt động hoặc ở 16 K, nhiệt độ còn lại như thế, hoặc ở 6 K, mức lạnh nhất mà bình làm lạnh (cryostat) của nó đạt được.
Chùm tia rộng hơn. Nhờ dùng một gương ít cong hơn (bán kính cong 10,2 mét thay vì 1 mét), vệt sáng trên gương tăng bán kính từ 480 lên 850 micromét — mở rộng chùm tia là một trong những cách đã biết để giảm nhiễu nhiệt.

Kết hợp lại, chúng giảm nhiễu nhiệt từ ba đến năm lần so với các hệ trước đây.

Chống rung trong giá lạnh

Cả hai thay đổi thông thường đều khiến hốc cộng hưởng nhạy hơn với rung động, và để đạt 6 hay 16 K cần một máy làm lạnh heli — một cỗ máy rung lắc. Nhóm đặt máy làm lạnh trên sàn cạnh bàn quang học, dẫn heli lạnh lên thí nghiệm qua đường ống. Hốc cộng hưởng, được giữ ở giữa bởi ba viên bi hồng ngọc đường kính 6 milimét, nằm trên một bàn cách rung chủ động.

Cái lạnh còn mang đến một vấn đề khác: gần độ không tuyệt đối, vật liệu giữ rất ít nhiệt, nên khó làm dịu các dao động nhiệt độ. Giải pháp là erbi, nguyên tố mà ở 16 K tích trữ nhiệt trên mỗi đơn vị thể tích gấp 6 lần thép không gỉ và gấp 13 lần đồng. Các lớp tấm chắn và khối erbi làm chậm mọi thay đổi nhiệt độ xuống thang thời gian khoảng bốn ngày. Cảm biến điều khiển được giữ ở 16,183 K, và một cảm biến độc lập luôn nằm trong phạm vi 100 phần triệu độ so với giá trị mục tiêu.

Kỷ lục

Khi so sánh với hai hốc cộng hưởng silic khác và một đồng hồ nguyên tử stronti, tia laser đạt:

ở 6 K, độ ổn định tương đối 7 × 10⁻¹⁸ với thời gian lấy trung bình từ 2 đến 50 giây — một kỷ lục mới: dao động chỉ khoảng 1,4 phần nghìn hertz — và độ rộng vạch (độ trải của chính tần số laser) 2,5 milihertz trên tần số ánh sáng 194 terahertz;
ở 16 K, 9 × 10⁻¹⁸, độ rộng vạch 2,9 mHz, nhưng hành vi tốt hơn trong nhiều ngày.

Nhiễu giảm khi hốc lạnh hơn, cho thấy tia laser đã chạm tới giới hạn dự kiến: nhiễu nhiệt của lớp phủ, chứ không phải rung động hay mạch điện tử.

Qua hai đợt chạy dài 14 và 7 ngày, đồng hồ stronti đã theo dõi độ trôi chậm của hốc: dưới 4 microhertz mỗi giây, tương đương một maser hydro (bộ dao động tham chiếu của các phòng thí nghiệm thời gian) và nhỏ hơn mười lần so với các hốc silic hoạt động ở 124 K. Hốc cộng hưởng đạt mức đó chín tháng sau khi làm lạnh; các hốc 124 K phải mất cả thập kỷ.

Ngắm nhìn nguyên tử hàng giây liền

Tia laser đã bắt tay vào việc. Khi vận hành đồng hồ mạng tinh thể quang học stronti (các nguyên tử bị giữ trong một mạng lưới ánh sáng laser), nó cho phép thăm dò các nguyên tử hơn 10 giây — và thăm dò càng lâu, vạch của nguyên tử càng hẹp, nên đồng hồ càng tìm được tâm vạch chính xác hơn. Sau 12 giây, tín hiệu giao thoa (vân Ramsey) vẫn giữ được 75% độ tương phản, và một xung đơn dài 12,4 giây cho ra một vạch rộng chỉ 64 milihertz. Trạng thái kích thích của stronti-87 mà đồng hồ sử dụng tồn tại khoảng 170 giây — biên giới tiếp theo cho thời gian thăm dò.

Hướng tới 10⁻¹⁸

Tia laser mới sẽ thay thế tham chiếu trước đây của JILA và, theo các tác giả, cho phép mọi đồng hồ quang học trong mạng lưới Boulder đạt tới một độ chính xác cho trước sớm hơn tới mười lần. Lớp phủ gương dạng tinh thể có thể hạ nhiễu nhiệt xuống khoảng 1,5 × 10⁻¹⁸ ở 6 K; những hốc lạnh hơn, dài hơn hoặc chùm tia rộng hơn có thể đẩy nó xuống 1 × 10⁻¹⁸ hoặc thấp hơn. Vẫn còn một bí ẩn: nhiễu dư xuất hiện sau 100 giây, mà chưa cảm biến nào bên trong bình làm lạnh xác định được nguồn gốc.